دوران الثقب الأسود

في عام 2015، التقطت كاشفات LIGO لأول مرة ارتجاج الفضاء الناتج عن اندماج ثقبين أسودين. ومنذ ذلك الحين، تراكمت مئات الأحداث، كل منها يحمل بصمة نسبه: هل وُلد الثقبان متجاورين من زوج نجمي واحد، أم التقيا صدفة في عنقود كثيف؟ الفرق يظهر من اتجاه محاور دورانهما. إذا نما النجمان معًا، تعمل قوى المد على محاذاة لفاتهما مثل إبر البوصلة التي تشير إلى الشمال.

الثقب الأسود هو منطقة في الزمكان تكون جاذبيتها شديدة لدرجة أنه حتى الضوء لا يمكنه الإفلات منها، فيبتلع كل ما يقترب منه كثيرًا. لكن إذا ألقينا فيه جسمين معًا وليس جسمًا واحدًا، فقد يخرج أحدهما عائدًا آخذًا معه جزءًا من طاقة دوران الثقب. هذه الحيلة، التي ابتكرها روجر بنروز عام 1969، تعمل فقط لأن الثقب الأسود يمتلك أفق حدث — الحد الذي لا يعبره شيء عائدًا.

في الصورة المألوفة للعالم، الحدث هو نقطة على خريطة الزمكان: «هنا والآن»، بلا حجم أو بنية داخلية.

في مركز المجرة يجلس ثقب أسود فائق الكتلة، وحوله تمتد سحابة ضخمة ومخلخلة من المادة المظلمة. إنها لا تضيء ولا تدفئ، لكن بثقلها تحني المكان وتغير قواعد اللعبة لكل ما يدور بالقرب منها.

في كون ثنائي الأبعاد، يشبه الثقب الأسود قمعًا في الزمكان. لكن مؤلفي الدراسة الجديدة ذهبوا أبعد من ذلك: افترضوا أن الفضاء الذي "تعيش" فيه عزوم الجسيمات منحنٍ أيضًا — مثل السرج. أخذوا ثقبًا أسود عاديًا من نوع BTZ (قريب ثلاثي الأبعاد للثقوب السوداء الحقيقية) وأضافوا تموجات كمومية إلى هندسة العزوم.

في مركز العديد من المجرات تدور خذاريف كونية ذات قدرة لا تُصدق: ثقوب سوداء فائقة الكتلة. أول من وصف طبيعتها هو شوارتزشيلد بعد أن قدّم أينشتاين للعالم نظرية النسبية العامة. السبين هو معامل أساسي مثل الكتلة، لكنه أكثر استعصاءً على الرصد.

الغاز شديد الحرارة، وهو يدور في حلزوني، يسقط نحو جسم غير مرئي فائق الكثافة. يشبه هذا القرص دوامة عملاقة، لكنه غالبًا ما يكون مائلًا — إذ لا يتطابق محوره مع محور دوران الجسم المركزي. تجعل الجاذبية القرص يتمايل قليلًا، مثل قمة دوارة تفقد توازنها. اشتق الفيزيائيون لأول مرة معادلة تصف هذا الميل مع مراعاة كل تفاصيل النسبية العامة.

لطالما بنى علماء الفيزياء الفلكية على مدى عقود صورة متناسقة: المجرة، مثل دوامة الخيل العملاقة، تدور بإيقاع واحد، والثقب الأسود فائق الكتلة الموجود في مركزها يرث هذه الرقصة. الغاز من القرص، عند سقوطه في قرص التراكم، يُفترض أنه يسحب محور الثقب معه عبر تأثير لينز-ثيرينغ، محاذياً الدوران مع العزم الكلي.

اندماجات الثقوب السوداء، التي تنبأ بها كارل شفارتزشيلد، هي المصدر الرئيسي لـ موجات الجاذبية التي تلتقطها أجهزة كشف لايغو. على مدى السنوات، تراكمت 259 حدثًا، وكل منها قصة ميلاد مشفرة لزوج.

الثقب الدودي هو نفق يربط بين منطقتين بعيدتين في الكون. إذا وُجد مثل هذا الثقب وكان قابلاً للعبور، فإن الجسيم بداخله سيشعر ليس فقط بالجاذبية، بل أيضًا بقوة من مجاله الكهربائي الذاتي. تعتمد هذه القوة على كيفية انحناء الزمكان حوله.

متزلجة فنية تدور على الجليد، وتنحرف تدريجيًا عن مدارها. هكذا، النجم الصغير أو الثقب الأسود، أثناء دورانه حول ثقب أسود ضخم، يفقد الطاقة. إنه يصدر موجات ثقالية (gravitational waves) — تموجات في نسيج الزمكان تلتقطها كاشفات على الأرض. لكن رقصة هذا الثنائي أكثر تعقيدًا مما تبدو. الرفيق الصغير ليس مجرد نقطة.

الثقب الأسود ليس مجرد بقعة مظلمة في السماء. فظله يقع على الخلفية المضيئة للمادة المتساقطة، ويحمل بصمة هندسة المكان نفسه. إذا كانت الجاذبية مختلفة ولو قليلًا عمّا اعتدنا أن نعتقده، فإن الظل سيكشف ذلك. في عمل جديد، تتبّع الفيزيائيون مسارات أشعة الضوء في محيط ثقب أسود دوّار في ما يُعرف بجاذبية راستال.

قمة دوارة تدور بسرعة كبيرة لدرجة أنها تجعل الضوء حولها يلتف في حلزونات — هذه صورة معبرة لما يحدث عند أفق الثقب الأسود. البلازما شديدة الحرارة تسقط فيه وتصدر موجات راديو. استقطاب هذه الموجات (أي المستوى الذي تتأرجح فيه الموجة) يصبح سهمًا يشير إلى اتجاه تدفق الطاقة.

قمة دوّارة ضخمة تدور بسرعة كبيرة لدرجة أن الفضاء المحيط بها يلتف في شكل حلزوني. هذا هو الثقب الأسود — لكن بدلاً من الخشب والمعدن، فهو مصنوع من الجاذبية الخالصة. أضف إليه مجالًا كهرومغناطيسيًا غير عادي يغيّر قواعد اللعبة قليلًا. ستحصل على ثقب أسود «مشوّه»: شكله وسلوكه يختلفان قليلًا عن المألوف الذي وُصف قبل نصف قرن.

عندما يمر الضوء بالقرب من ثقب أسود، يقع في مصيدة جاذبية قوية: مسار الفوتونات ينحني بشدة لدرجة أن الجسيمات تبدأ في التخبط في مدارات شبه مغلقة، مثل كرات في لعبة الكرة والدبابيس.

عندما يقع ثقب أسود في عدسة التصوير، فإنه يترك في الصورة ظلاماً مثالياً — بئر جذبية يسقط فيها الضوء بلا عودة. أظهرت صور مقراب أفق الحدث ظلالاً لأجسام فائقة الكتلة، وتطابقت تماماً مع تنبؤات النظرية النسبية العامة لـ[ scientist:Albert Einstein]أينشتاين. لكن الصمت لا يضمن غياب الشبيه.

أصبحت ظلال الأجسام فائقة الكتلة في مراكز المجرات – مثل M87 ودرب التبانة – أيقوناتٍ للفيزياء الفلكية الحديثة. لكن ماذا لو كانت هذه الظلال أثرًا ليس للامتصاص بل للعبور؟ تسمح معادلات أينشتاين بوجود ثقوب دودية قابلة للعبور – أنفاق في نسيج الزمكان.

ظل الثقب الأسود – أيقونة الفيزياء الفلكية – لكن أمعن النظر: حافته المخملية ترتعش بتناغم مع استقطاب الضوء. ليس وهماً بصرياً، بل تأثير هول الدوراني الجذبوي : يدور الثقب الأسود ليصبح منشوراً استقطابياً، يفرز الفوتونات حسب اتجاه دوران مجالها الكهربائي. يسقط الضوءان الأيمن والأيسر في الهاوية على مسافتين مختلفتين قليلاً – فتنقسم حدود الظل.

القمة التي تُدار إلى أقصى حد تغير حركة الهواء حولها، إذ يدور الهواء بشكل مختلف عن القمة التي تدور بالكاد. مع الثقوب السوداء في بعض نظريات الجاذبية الموسعة يحدث شيء مشابه. عندما يدور الثقب بسرعة كافية، يكتسب الزمكان المنحني نفسه عند قطبيه خصائص جديدة. تظهر هناك منطقة تعمل كفخ للمجال القياسي — وهو مجال خاص لا يدخل في الجاذبية العادية.

الغاز المتساقط نحو الثقب الأسود يلتف في شكل حلزوني، مثل الماء في القمع. في هذا التدفق، تتولد وتنفجر حلقات مغناطيسية باستمرار — تشبه التوهجات الشمسية تقريبًا، لكنها أقوى بكثير. كل حلقة من هذه الحلقات هي مغناطيس صغير يعيش حياته الخاصة.

متزلج ينزلق على الجليد، يقترب تدريجيًا من مركز الحلبة. دورة خفيفة من الجذع — وتنكسر اللولب السلس، ويصبح المسار غير متوقع. شيء مشابه يحدث عندما يسقط ثقب أسود صغير له دوران ذاتي (سبين) على ثقب أسود عملاق. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن مثل هذه الفوضى تتطلب سبينًا سريعًا بشكل غير واقعي. أظهرت دراسة جديدة أن الفوضى تنشأ بشكل مستقر حتى عند قيم دوران عادية ومعقولة فيزيائيًا فلكيًا.

الضوء المنعكس من القرص الملتهب حول الثقب الأسود قد يخبرنا عنه أكثر مما كنا نعتقد. عندما يُصدر القرص حرارة، ينعكس جزء من هذا الضوء مرة أخرى على القرص ويتشتت، مكتسبًا توزيعًا غير عاديًا للطاقة — وكأن مكوّنًا جديدًا يُضاف إلى التوهج المعتاد، يشبه قانون القوة.

القمة الدوّارة على الطاولة تتمايل: محور الدوران مائل، وتصبح الحركة غير منتظمة. تتصرف الثقوب السوداء التي يدور حولها قرص من الغاز والغبار بطريقة مشابهة. إذا لم يتطابق محورا دوران الثقب الأسود والقرص، يبدأ النظام بأكمله في الاهتزاز، مولّدًا تموجات في نسيج الزمكان — الموجات الثقالية.

الثقوب السوداء تشبه القمم الكونية. دورانها يلوي الزمكان — كما تنبأ أينشتاين في النسبية العامة — ويتميز بمعامل سبين بلا أبعاد يأخذ قيمًا من 0 إلى 1.

الثقب الدودي — نفق افتراضي في الزمكان يربط مناطق بعيدة من الكون. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن الظل الذي يلقيه مثل هذا الجسم على خلفية الغاز المتراكم الساطع يجب أن يكون دائرياً تماماً، مثل ظل الثقب الأسود. ومع ذلك، بالنسبة لـثقب دودي دوّار — قابل للعبور، على عكس «عنق» الثقب الأسود العادي — قد يصبح شكل الظل غير متوقع: تكتسب حافته أسناناً، تشبه صورة ظلية لترس.

المادة المظلمة هي مادة غير مرئية لا تظهر إلا من خلال تأثيرها الجاذبي على حركة النجوم والمجرات. أول من طرح فرضية وجودها كان فريتز زفيكي في ثلاثينيات القرن العشرين، بينما أكدت فيرا روبين لاحقًا حقيقتها بقياس سرعات دوران المجرات.

الثقب الأسود في النظام الثنائي Swift J1727.8-1613 يومض في الأشعة السينية مثل جمرة تتأرجح في الريح. لكن إذا أنصتنا جيدًا لإيقاع هذا الوميض، سنلاحظ «حدبات» واضحة — ارتفاعات عند ترددات محددة، تشبه دقات الطبل وسط ضجيج الحشود.

في عام 2019، أظهر علماء الفلك أول صورة في التاريخ لظل ثقب أسود — هاوية مظلمة تحيط بها حلقة برتقالية غير منتظمة. هذا هو الثقب الأسود فائق الضخامة في مركز مجرة M87، على بعد 55 مليون سنة ضوئية منا. الحلقة ليست مجرد مضيئة: أحد جانبيها أكثر سطوعًا بشكل ملحوظ من الآخر. وكأن نارًا تشتعل بشكل غير متساوٍ — اللهب أعلى من جهة. هذا التباين ليس عيبًا عشوائيًا في الصورة.

الفورتونات هي أطواق كونية غير مرئية، حلقات مغلقة من الزمكان المنحني. أرق من الذرة لكنها أثقل من النجوم، تدور هذه البقايا من الانفجار العظيم مثل دوامات عملاقة، ملتفة بكل ما حولها. معادلات أينشتاين تصف كيف ترقص الجسيمات قرب هذا الطوق: المسارات إما تلتف في لوالب أو تتحرك بفوضوية.